600MW發(fā)電機封閉母線局部過熱原因分析及措施

唐海軍

（廣東火電工程總公司，廣東 廣州 510730）

1.600MW發(fā)電機封閉母線情況簡介

臺山發(fā)電廠600MW發(fā)電機出口至主變低壓側間采用全連式分相封閉母線連接。每相母線各裝在單獨的外殼內，外殼兩端用短路板連接起來。一端在發(fā)電機垂直下引母線處短路連接，一端在主變本體低壓側出線處短路連接。整條封閉母線外殼對地絕緣，在兩側短路連接處各設一個安全接地點。在發(fā)電機出口至主變低壓側間設有主要用于發(fā)電機并、解列用的分相結構的負荷開關。主變低壓側至負荷開關間、發(fā)電機三相引出線至負荷開關間的封閉母線外殼為鋁制，分段制造，安裝時各段之間焊接為一個整體。由于安裝、檢修的需要，每相負荷開關外殼分為三段，各段水平中分為上下兩半。各段之間的上下、兩側接合面安裝時用螺栓緊固連接。負荷開關外殼與兩側封閉母線外殼之間采用環(huán)形均勻分布的螺栓緊固連接，在各螺栓連接處用鋁制短路條跨接接合面 。

2.封閉母線外殼連接處局部嚴重過熱問題分析

2.1 封閉母線外殼連接處局部嚴重過熱問題及危害。臺山發(fā)電廠＃1機組在設備調試期間，存在著封閉母線外殼連接處在大負荷工況下局部嚴重過熱的問題。尤其在發(fā)電機出口封閉母線外殼連接處顯得特別突出，有出現100℃以上的局部高溫現象，嚴重時，在局部過熱點測得的最高溫度曾達到380℃，造成封母外殼支撐緊固螺栓發(fā)紅。

2.2 封閉母線外殼過熱的危害為：

2.2.1 封閉母線外殼過熱嚴重時，將使封閉母線外殼變形產生應力，作用在固定其上的支撐絕緣子，可能造成支撐絕緣子位移，嚴重時導致支撐絕緣子破碎，引起發(fā)電機單相接地。

2.2.2 長期過熱導致封閉母線外殼變形嚴重時，可能使外殼與母線間距離變小，容易引起外殼與母線間放電，引起單相接地。

2.2.3 局部高溫可能導致封閉母線鋁制外殼、短路條局部融化，引起單相接地。

2.2.4 封閉母線外殼過熱嚴重時，導致封閉母線內部溫度升高，發(fā)電機引出母線冷卻條件惡化。

2.2.5 封閉母線外殼嚴重過熱區(qū)域附近的絕緣子長期受到高溫的作用，絕緣材料將逐步變脆和老化，以致絕緣失去彈性和絕緣性能下降，使用壽命大為縮短。

2.2.6 鋁制封閉母線外殼溫度長期超過100℃時，抗拉強度急劇下降，使用壽命大大降低。

2.3 封閉母線外殼發(fā)熱的原因。能引起封閉母線外殼的發(fā)熱的因素有兩個：一、鋁制的封閉母線外殼處在母線所產生的交變磁場中，產生電流，引起發(fā)熱；二、封閉母線導體上大電流產生的熱量以輻射、空氣對流的方式傳遞到封閉母線外殼，導致其溫度逐漸升高。顯然，上述兩個因素中，在機組正常運行工況下，母線發(fā)熱輻射、對流到封閉母線外殼的熱量，不會引起封閉母線外殼溫度超過100℃。

根據電磁學的有關理論，運行中的每相母線的交流電流在其周圍空間內產生呈正弦規(guī)律變化的磁場。該磁場在鋁制的封閉母線外殼上產生感應電勢，由于全連式分相封閉母線三相間在兩端短路連接，構成回路，該感應電勢在封閉母線外殼上產生感應電流。感應電流的大小為其產生的磁場能抵消母線上的交流電流產生的磁場。即：感應電流的大小基本上與發(fā)電機負荷電流相等。該感應電流縱向流過整條封閉母線外殼，引起封閉母線外殼發(fā)熱。對整個封閉母線外殼而言，發(fā)電機負荷電流越大，封閉母線整體發(fā)熱越嚴重。而對于封閉母線外殼連接處的局部區(qū)域而言，該部位的發(fā)熱量與其電阻的大小、流過此處的電流的平方成正比。即：電阻越大、電流密度越高的地方，發(fā)熱越嚴重。一旦某一連接處出現溫度過高現象時，接觸連接面會發(fā)生強烈氧化，使得接觸電阻增大，溫度進一步上升，導致接觸處松動或燒熔。同時，由于每相封閉母線外殼上感應電流的磁場與母線電流的磁場不可能完全抵消，會產生一定的漏磁通，在其他相的外殼上產生渦流，引起封閉母線外殼發(fā)熱。但由于漏磁通較小，渦流引起的封閉母線外殼發(fā)熱程度并不嚴重。

2.4 封閉母線外殼連接處局部過熱的原因

2.4.1 連接處導流面積不足，電流密度大

在封閉母線安裝施工時，首先將主變低壓側、發(fā)電機三相引出線側封閉母線外殼各段之間進行焊接，形成一個整體,為提高封閉母線的密封性能，安裝時在結合面之間采用了焊接方式。這樣，發(fā)電機負荷電流在封閉母線外殼上產生的感應電流在外殼兩側與其兩側封閉母線連接處只能流經支撐緊固螺栓及短路條。由螺栓及短路條形成的導流面積與整個封閉母線外殼的接合面面積相比相差懸殊，因此各螺栓及短路條上的電流密度大大高于整個封閉母線外殼其它地方的電流密度，引起螺栓及短路條在大負荷工況下過熱。

2.4.2 連接處接觸電阻大

封閉母線外殼兩側與其兩側封閉母線連接時使用的螺栓與壓緊墊片、壓緊墊片與短路條、短路條與封閉母線外殼間，不可避免地會形成一定的接觸電阻，該接觸電阻的阻值必然會遠遠高于封閉母線外殼其他部位的鋁材電阻，造成負荷開關外殼與封閉母線外殼連接處的發(fā)熱量明顯高于其他地方。該接觸電阻的阻值雖在一定范圍內可以通過調整螺栓緊力、平整壓緊墊片、平整短路條降低一些，但不可能完全消除。

2.5 對封閉母線外殼連接處局部過熱的計算分析。前面對封閉母線外殼連接處局部過熱進行了定性分析，下面根據封閉母線有關技術資料及測量數據，進行簡單定量分析。

600MW發(fā)電機額定電流為：19245A。主封閉母線外殼為圓筒形，主回路額定電流設計為25000A，母線鋁管內徑為900X15mm，外殼鋁管內徑為Φ1450X10 mm。發(fā)電出線罩外殼與主封閉母線外殼連接處接合面的寬度為45mm，結合面采用64條直徑為16mm的鋼制螺栓連接。在每條螺栓處用寬度為50mm、厚度為5mm的鋁制短路條跨接接合面。據以上數據，可以計算、比較設計的接合面的電流密度及實際接合面可能達到的最小電流密度。

設計的接合面的導電截面積為：

π（735+45）2–π7352=3.14(608400–540225)=214096（mm2）（1）

設計的接合面的電流密度為：

25000A/214096mm2=0.117A/mm2（2）

實際接合面最大導電截面積為：

π82×64+5×50×64=12861+16000=28861(mm2）（3）

接合面可能達到的最小電流密度為：

19245A/28861 mm2=0.667A/mm2（4）

根據：

導體發(fā)熱量計算公式：Q=I2Rt（I為電流；R為電阻；t為時間） （5）

導體電阻計算公式:

R=ρl/S（ρ為導體電阻率；l為導體長度；S為導體截面積） （6）

導體電流密度公式：

J=I/S （I為電流；S為導體截面積）（7）

若在實際接合面上、設計的接合面上各取一塊面積、長度相等的導體在相同時間內進行發(fā)熱量比較，由于導體材料也相同，可知：兩者的 ρ、l、S、t相等，R 也相等。若以下腳標為1的量表示實際接合面各計算量，以下腳標為2的量表示設計的接合面各計算量進行發(fā)熱量比較，可得：

Q1/Q2= I12R1t1/I22R2t2= I12/I22=（J1S1）2/（J2S2）2=J12/J22（8）

Q1/Q2=0.6672/0.1172=32.5 （9）

上式說明，實際接合面上與設計的接合面上面積、長度相等的導體在相同時間內的發(fā)熱量相比，要高出32.5倍。由以上的分析不難發(fā)現，電流密度大是引起實際負荷開關外殼與封閉母線外殼連接處發(fā)熱量高的的根本原因，解決該問題的關鍵措施是增加負荷開關外殼與封閉母線外殼連接處接合面的導電面積，以降低該處電流密度。

3.解決封閉母線外殼連接處過熱的措施

（1）將負荷開關外殼兩側與兩側封閉母線外殼連接處的橡膠密封墊換成鋁制密封墊，增加導電面積，減小電流密度。（2）調整各接合面加工平整，保證各接合面間能緊密接觸在一起，在各接合面上涂上導電膏，盡量減小接觸電阻。（3）短路條與壓緊墊片、短路條與封閉母線外殼間的接觸面進行檢查處理平整，并在各接合面上涂上導電膏，盡量減小接觸電阻。（4）對緊固螺栓按要求力矩要求進行重新檢查堅固，對出現接合面局部翹曲進行了處理，減少了局部區(qū)域接觸電阻過大。（5）消除因運行中振動及過熱導致的螺栓松動、螺栓壓緊墊片變形等引起的接觸電阻變大，局部出現過熱現象。（6）對封母固定包箍及支撐絕緣墊進行了清除，對封閉母線的支架采用直接接地方式。

[1]范錫普.發(fā)電廠電氣部分.水利電力，1990年第二版.